一种扭杆防横向窜动支撑球铰及其支撑球铰装置.pdf

本发明公开了一种扭杆防横向窜动支撑球铰及其支撑球铰装置，扭杆防横向窜动支撑球铰包括上半盖、下半盖和设置在上半盖和下半盖之间的橡胶套，扭杆穿过橡胶套，在扭杆的一端上设置有转臂，通过连接螺栓依次穿过下半盖和上半盖拧入到车体构架中，在所述橡胶套的内圆周面上开有凹槽，所述扭杆的外圆周面与橡胶套的内圆周面上的凹槽相接触。本发明是在现有的结构上进行改进的，不需额外增加部件，其既能达到防止扭杆横向窜动的目的，又降低了制造成本，还便于安装。

权利要求书
1.  一种扭杆防横向窜动支撑球铰，包括上半盖、下半盖和设置在上半盖和下半盖之间的橡胶套，扭杆穿过橡胶套，在扭杆的一端上设置有转臂，通过连接螺栓依次穿过下半盖和上半盖拧入到车体构架中，其特征在于：在所述橡胶套的内圆周面上开有凹槽，所述扭杆的外圆周面与橡胶套的内圆周面上的凹槽相接触。

2.  根据权利要求1所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：所述凹槽的数量设置为一条或多条。

3.  根据权利要求2所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：每条所述凹槽设置为连续槽或断续槽。

4.  根据权利要求3所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：每条所述凹槽沿周向设置在橡胶套的内圆周面上且每条凹槽围合形成的平面与扭杆的轴线垂直或每条所述凹槽沿周向设置在橡胶套的内圆周面上且每条凹槽围合形成的平面与扭杆的轴线倾斜相交。

5.  根据权利要求1所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：所述凹槽的横截面为梯形、矩形、三角形或半圆形。

6.  根据权利要求1所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：所述凹槽设置为一条螺旋形的连续槽或断续槽。

7.  根据权利要求1所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：在所述扭杆的外圆周面上还设置有与所述凹槽相匹配的凸起部，所述扭杆的外圆周面上的凸起部卡入橡胶套的内圆周面上的凹槽中。

8.  根据权利要求7所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：所述凹槽设置为一条螺旋形的连续槽或断续槽，与其相匹配的凸起部也设置为一条螺旋形的连续状凸起部或一条螺旋形的断续状凸起部。

9.  根据权利要求1至8中任意一项权利要求所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：所述橡胶套的两侧端与上盖和下盖的两侧端之间均留有间距。

10.  一种支撑球铰装置，包括根据权利要求1至9中任意一项权利要求所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，其特征在于：所述支撑球铰装置还包括上半支撑座和下半支撑座，所述上半支撑座固接在车体构架上，支撑球铰设置在所述上半支撑座和下半支撑座之间，通过连接螺栓依次穿过下半支撑座、下半盖和上半盖拧入到上半支撑座中，从而将支撑球铰装置连接固定在车体构架上。

说明书一种扭杆防横向窜动支撑球铰及其支撑球铰装置
技术领域
本发明涉及一种抗侧滚扭杆支撑球铰及其支撑球铰装置，尤其涉及一种扭杆防横向窜动支撑球铰及其支撑球铰装置。
背景技术
    随着国家经济的发展，目前我国的铁路、地铁及轻轨等轨道交通发展迅速，轨道交通车辆在设计时，其安全性成为一个重要的研究方向。如图1所示，车辆的振动主要有六个方向的自由度：X方向的伸缩振动、Y方向的横摆振动、Z方向的浮沉振动、绕Y轴的点头振动、绕Z轴的摇头振动、绕X轴的侧滚振动。目前的轨道交通车辆转向架均为两级悬挂，抗侧滚扭杆系统用于调节车辆侧滚刚度、控制车辆侧滚振动，以保证车辆的安全运行。
图1为抗侧滚扭杆系统的机构运动图，图中M为车体，E、F为扭杆支承座组成，安装于构架上，A、B、C、D为橡胶球铰或金属关节轴承，可在三个方向转动。由图可见，如果不考虑相对于系统刚度小得多的支承座组成和橡胶关节的影响，当车体相对于转向架发生浮沉振动时，两根连杆同时往一个方向运动，整个装置绕支撑球铰同时转动，扭杆并不承受力或扭矩，故并不影响车体的浮沉振动，同样对除侧滚以外的其它几个运动同样不提供任何附加的力或扭矩。而当车体与构架之间发生绕X轴的相对转动即侧滚时，左右连杆向相反的方向上下运动，通过扭转臂（图中FD、EC）使扭杆发生扭转变形，扭杆由于抗扭弹性而产生抗扭反力矩，这一反力矩作用在垂向连杆上表现为一对大小相等方向相反的垂向力，而这对垂向力作用在车体上就形成了与车体侧滚方向相反的抗侧滚力矩，抗侧滚力矩的作用将阻止车体相对于转向架侧滚角度的增加，从而抑制车辆的侧滚，提高车辆的横向平稳性。
如图2所示，一种现有的抗侧滚扭杆支撑装置包括扭杆1、上半盖2、下半盖3和设置在上半盖2和下半盖3之间的橡胶套4，扭杆1穿过橡胶套4，在扭杆1的一端上设置有转臂5，通过连接螺栓6依次穿过下半盖3和上半盖2拧入到车体构架中从而将扭杆支撑连接在车体构架上。
但是，在实际的工作过程中，扭杆有时会发生沿横向的窜动（沿横向即指当抗侧滚扭杆系统安装好后，沿扭杆的轴向，在图1中即表示为Y向）。
授权公告号为CN103072592A，申请公布日为2013年5月1日的中国发明专利中记载了这种扭杆的横向窜动将带来如下的危害：
1.扭杆轴窜动将使得抗侧滚扭杆装置偏离其初始设计安装位置，如在车辆横摆的同时，复合车体侧滚运动，将急剧增加扭杆轴以及其它抗侧滚扭杆装置零部件的载荷；
2.扭杆轴发生窜动，当横摆运动回复后，通常不能及时复位，即使得抗侧滚扭杆装置组成偏离初始安装位置，后续车辆在任何方向的运动时，抗侧滚扭杆装置零件的载荷均将急剧增加；
3.扭杆轴的反复窜动，将使得扭杆轴与支撑座组件的层状支撑球铰发生频繁摩擦，磨损将使得支撑座组件的层状支撑球铰提前失效；
同时上述专利文献记载了现有的防止扭杆横向窜动的几种结构以及其不足之处，因此，上述专利文献公开了一种设置在轨道交通车辆扭杆轴上的防窜动固定结构，该固定结构为分体式结构，包括：第一部件和第二部件，该第一部件和第二部件通过配合连接结构相互连接形成环状的卡箍结构，该防窜动结构能够防止抗侧滚扭杆轴在车辆横摆时发生相对支撑座组件的横向窜动。
另外，申请公布号为CN103241257A ，申请公布日为2013年8月14日的中国发明专利公开了一种新型轨道车辆用抗侧滚扭杆横向弹性定位方法，首先在所述支承座与扭转臂的装配端分别开设一个凹槽；然后在支承座与扭转臂之间设置一个弹性推力垫，所述弹性推力垫两端分别卡在所述支承座和扭转臂上的凹槽内，进行横向弹性定位；同时所述弹性推力垫两端分别使用螺栓或销钉固定在所述支承座和扭转臂上，在实现横向弹性定位的同时实现周向定位，保证在扭转和剪切时不产生周向运动。
但是，上述两篇专利文献中记载的防窜动固定结构或横向弹性定位方法都还是需要另外设计安装一个限位部件，这样做的话，一是提高了制造成本，二是安装起来也不是很方便。
综上，如何设计一种扭杆的支撑装置，使其在现有的结构上进行改进，不需额外增加部件，既能达到防止扭杆横向窜动的目的，又降低了制造成本，还便于安装是急需解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种扭杆防横向窜动支撑球铰及其支撑球铰装置，其是在现有的结构上进行改进的，不需额外增加部件，其既能达到防止扭杆横向窜动的目的，又降低了制造成本，还便于安装。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种扭杆防横向窜动支撑球铰，包括上半盖、下半盖和设置在上半盖和下半盖之间的橡胶套，扭杆穿过橡胶套，在扭杆的一端上设置有转臂，通过连接螺栓依次穿过下半盖和上半盖拧入到车体构架中，在所述橡胶套的内圆周面上开有凹槽，所述扭杆的外圆周面与橡胶套的内圆周面上的凹槽相接触。
优选的，所述凹槽的数量设置为一条或多条。
优选的，每条所述凹槽设置为连续槽或断续槽。
优选的，每条所述凹槽沿周向设置在橡胶套的内圆周面上且每条凹槽围合形成的平面与扭杆的轴线垂直或每条所述凹槽沿周向设置在橡胶套的内圆周面上且每条凹槽围合形成的平面与扭杆的轴线倾斜相交。
优选的，所述凹槽的横截面为梯形、矩形、三角形或半圆形。
优选的，所述凹槽设置为一条螺旋形的连续槽或断续槽。
优选的，在所述扭杆的外圆周面上还设置有与所述凹槽相匹配的凸起部，所述扭杆的外圆周面上的凸起部卡入橡胶套的内圆周面上的凹槽中。
优选的，所述凹槽设置为一条螺旋形的连续槽或断续槽，与其相匹配的凸起部也设置为一条螺旋形的连续状凸起部或一条螺旋形的断续状凸起部。
优选的，所述橡胶套的两侧端与上盖和下盖的两侧端之间均留有间距。
本发明还公开一种支撑球铰装置，包括根据如上所述的扭杆防横向窜动支撑球铰，所述支撑球铰装置还包括上半支撑座和下半支撑座，所述上半支撑座固接在车体构架上，支撑球铰设置在所述上半支撑座和下半支撑座之间，通过连接螺栓依次穿过下半支撑座、下半盖和上半盖拧入到上半支撑座中，从而将支撑球铰装置连接固定在车体构架上。
本发明的有益效果为：本发明通过在橡胶套的内圆周面上设置凹槽来降低橡胶套的扭转刚度，使得发生侧滚振动时，橡胶套能一直与扭杆一起扭转，橡胶套与扭杆之间不会产生松离状态，从而避免了扭杆发生横向窜动；通过设置的凹槽的槽口与扭杆的外圆周面相配合形成了对扭杆的横向限位结构，能够进一步限制扭杆横向的窜动，本发明是在现有的结构上进行改进的，不需额外增加部件，其既能达到防止扭杆横向窜动的目的，又降低了制造成本，还便于安装；另外，设置凹槽打断了橡胶体的连续性，减小了胶体被压缩膨胀变形时的应力集中现象，提高了橡胶套的使用寿命。将橡胶套的两侧端与上半盖和下半盖的两侧端之间均设置为留有间距的状态，能防止橡胶套膨胀变形时两端鼓出到上半盖和下半盖的外部，避免了橡胶套的鼓出部位与其他配件相摩擦，进一步提高了橡胶套的使用寿命。本发明在支撑球铰装置中通过增设上半支撑座和下半支撑座，能稳定的将扭杆支撑连接在车体构架上，从而能更好的防止扭杆的横向窜动且这样使得扭杆安装起来更加方便快捷，提高了抗侧滚扭杆的安装效率。通过在扭杆的外圆周面上设置凸起部，利用扭杆外圆周面上的凸起部与橡胶体内圆周面上的凹槽相配合形成了对扭杆的横向限位结构，增加了扭杆的横向定位刚度，能够进一步限制扭杆横向的窜动。
附图说明
图1为现有的车辆两级悬挂结构及其运动示意图；
图2为现有抗侧滚扭杆支撑装置的立体结构示意图；
图3为本发明实施例1中支撑球铰的主视结构示意图；
图4为本发明实施例1中下半盖的俯视结构示意图；
图5为图3中沿G-G线的剖视结构示意图；
图6为本发明实施例1中支撑球铰装置的立体结构示意图；
图7为本发明实施例2中下半盖的俯视结构示意图；
图8为本发明实施例3中下半盖的俯视结构示意图；
图9为本发明实施例4中下半盖的俯视结构示意图；
图10为本发明实施例5中下半盖的俯视结构示意图；
图11为本发明实施例7中扭杆的局部立体结构示意图；
图中：1. 扭杆，2. 上半盖，3. 下半盖，4. 橡胶套，5. 转臂，6. 连接螺栓，7. 凹槽，8. 上半支撑座，9. 下半支撑座，10. 车体构架，11. 凸起部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述。
抗侧滚扭杆发生横向窜动是本领域所公知的，因此，在现有技术中，人们通过各种方案对其进行改进以防止扭杆横向窜动，如本文中引用的第一篇专利文献中所记载的几种常见的改进方案。但是，人们并没有对扭杆为什么会发生横向窜动来做进行进一步深入的研究。
本专利申请的申请人通过对背景技术中所述的一种现有的抗侧滚扭杆支撑装置（如图2所示）进行大量的分析和研究发现，在这种结构的抗侧滚扭杆支撑装置中，扭杆安装好后，橡胶套是处于一种预压缩状态，从而对扭杆提供一定的预压力。当车辆没有发生侧滚振动时，橡胶套与扭杆之间相当于是通过过盈配合连接在一起，当车辆发生侧滚振动时，橡胶套对扭杆的预压力会产生静摩擦力，在扭杆的扭转角度较小时，橡胶套与扭杆会一起扭转，但是，当扭转到一定角度时，橡胶套与扭杆之间会发生相对滑动，从而使得橡胶套与扭杆之间处于一个松离的状态，在此状态下，橡胶套对扭杆的横向摩擦阻力会大幅降低，如果此时扭杆受到某一定载荷的轴向力的作用，则会发生横向窜动。经过多次分析试验发现，橡胶套与扭杆之间产生松离状态是因为橡胶套的扭转刚度过大，当扭转到一定的角度后，橡胶套扭转相应角度所需的切向力大于橡胶套与扭杆间的摩擦力，橡胶套与扭杆间发生相对滑动，从而产生了松离状态，导致扭杆容易发生横向窜动。
本文中引用的第二篇专利文献是从抗侧滚扭杆的结构设计方面阐述扭杆发生横向窜动原因的（参见该专利文献的发明内容部分），而本专利申请是从另外一个方面来研究分析了扭杆发生横向窜动的原因，进而提出解决方案的。
实施例1：如图3至图6所示，一种扭杆防横向窜动支撑球铰，包括上半盖2、下半盖3和设置在上半盖2和下半盖3之间的橡胶套4，扭杆穿过橡胶套4，在扭杆的一端上设置有转臂，通过连接螺栓依次穿过下半盖3和上半盖2拧入到车体构架中，在所述橡胶套4的内圆周面上开有凹槽7，所述扭杆1的外圆周面与橡胶套的内圆周面上的凹槽7相接触。在橡胶套的内圆面上设置凹槽，能降低橡胶套的扭转刚度，当车体发生侧滚振动时，橡胶套能一直与扭杆一起扭转，橡胶套与扭杆之间不会产生松离状态，从而避免了扭杆发生横向窜动；另外，凹槽的槽口与扭杆的外圆周面相配合形成了对扭杆的横向限位结构，增加了扭杆的横向定位刚度，能够进一步限制扭杆横向的窜动。当橡胶套被压缩膨胀变形时，在橡胶套的内圆周面上设置的凹槽能容纳一部分膨胀变形的橡胶体，从而减小了此处的应力集中现象，提高了橡胶套的使用寿命。本实施例通过在橡胶套的内圆周面上设置凹槽减小橡胶套的扭转刚度以及通过凹槽的槽口与扭杆的外圆周面相配合形成限位结构来防止扭杆横向窜动的，其是在现有的结构上进行改进的，不需额外增加部件，其既能达到防止扭杆横向窜动的目的，又降低了制造成本，还便于扭杆的安装。
所述凹槽7的数量设置为一条，每条所述凹槽7设置为连续槽，连续槽为连续延伸的凹槽，每条所述凹槽7沿周向设置在橡胶套4的内圆周面上且每条凹槽7围合形成的平面与扭杆1的轴线垂直。设置成上述结构，当扭杆发生横向窜动时，通过凹槽限制扭杆横向窜动的效果更好。橡胶套为对半结构，在橡胶套的内圆周面上，凹槽沿周向设置有一整圈。
所述凹槽7的横截面为半圆形，在这里也可以设置成梯形、矩形或三角形，设置成半圆形是因为半圆形没有尖角部位，不会使得橡胶套在尖角部位产生应力集中的现象。
所述橡胶套4的两侧端与上半盖2和下半盖3的两侧端之间均留有间距L，间距L设置为6mm至20mm。这样在工作过程中，当橡胶套膨胀变形时，橡胶套的两端就会朝外鼓出，橡胶套的鼓出部位会与其他配件相摩擦，造成橡胶套的损坏，在本实施例中，设置间距L能防止橡胶套膨胀变形时两端鼓出到上半盖和下半盖的外部，避免了橡胶套的鼓出部位与其他配件相摩擦，进一步提高了橡胶套的使用寿命。
如图6所示，本实施例还公开一种支撑球铰装置，包括根据如上所述的支撑球铰，所述支撑球铰装置还包括上半支撑座8和下半支撑座，所述上半支撑座8固接在车体构架10上，支撑球铰设置在所述上半支撑座8和下半支撑座9之间，通过连接螺栓6依次穿过下半支撑座9、下半盖3和上半盖2拧入到上半支撑座8中，从而将支撑球铰装置连接固定在车体构架上。通过增设上半支撑座和下半支撑座，能稳定的将扭杆支撑连接在车体构架上，从而能更好的防止扭杆的横向窜动且这样使得扭杆安装起来更加方便快捷，提高了抗侧滚扭杆的安装效率。
实施例2：如图7所示，与实施例1相比，不同之处在于：所述凹槽7的数量设置为多条，多条凹槽7之间相互平行，这样能进一步防止扭杆的横向窜动。在本实施例中凹槽设置为三条。
实施例3：如图8所示，与实施例1相比，不同之处在于：每条所述凹槽7沿周向设置在橡胶套4的内圆周面上且每条凹槽7围合形成的平面与扭杆1的轴线倾斜相交。将凹槽设置成倾斜的状态是为了在扭杆受到横向窜动的作用力F时，利用倾斜状态的凹槽将作用力F分解成不与扭杆横向窜动同向的两个力F0和F1，从而更好的对扭杆进行横向上的限位。在这里，也可以将一条倾斜状态的凹槽设置成多条。
实施例4：如图9所示，与实施例1相比，不同之处在于：每条所述凹槽7设置为断续槽，断续槽7为断续状延伸的凹槽即在该条断续槽中包含多个分凹槽，相邻的分凹槽之间留有间距，这样能进一步防止扭杆的横向窜动且进一步减小了橡胶套产生的应力集中现象。在这里，也可以在橡胶套的内圆周面上设置多条断续槽。
实施例5：如图10所示，与实施例4相比，不同之处在于：每条所述凹槽7沿周向设置在橡胶套的内圆周面上且每条凹槽7围合形成的平面与扭杆1的轴线倾斜相交。在这里，也可以在橡胶套的内圆周面上设置多条倾斜状的断续槽。
实施例6：与实施例1相比，不同之处在于：所述凹槽设置为一条螺旋形的连续槽，即连续槽呈螺旋状态设置在橡胶套的内圆周面上，通过扭杆外圆周面与橡胶套内圆周面的螺旋形连续槽相配合来防止扭杆的横向窜动，这样，能进一步防止扭杆的横向窜动且进一步减小了橡胶套产生的应力集中现象。在这里，所述凹槽也可以设置为一条螺旋形的断续槽。
实施例7：如图11所示，与实施例1相比，不同之处在于：在所述扭杆1的外圆周面上还设置有与所述凹槽相匹配的凸起部11，所述扭杆1的外圆周面上的凸起部11卡入橡胶套的内圆周面上的凹槽7中。利用凹槽7与凸起部11相配合形成了对扭杆的横向限位结构，增加了扭杆的横向定位刚度，能够进一步限制扭杆横向的窜动。所述凹槽7设置为一条连续槽，与其相匹配的凸起部11也设置为一条连续状的凸起部。每条所述凹槽7沿周向设置在橡胶套4的内圆周面上且每条凹槽7围合形成的平面与扭杆1的轴线垂直，与其相匹配的每条凸起部11沿周向设置在扭杆1的外圆周面上且每条凸起部11围合形成的平面与扭杆1的轴线垂直。在这里，凹槽7和凸起部11均可以设置成多条。
实施例8：与实施例7相比，不同之处在于：所述凹槽7设置为一条断续槽，与其相匹配的凸起部11也设置为一条断续状的凸起部。每条所述凹槽7沿周向设置在橡胶套4的内圆周面上且每条凹槽7围合形成的平面与扭杆1的轴线倾斜相交，与其相匹配的每条凸起部11沿周向设置在扭杆1的外圆周面上且每条凸起部11围合形成的平面与扭杆1的轴线倾斜相交。在这里，凹槽7和凸起部11均可以设置成多条。
实施例9：与实施例7和实施例8相比，不同之处在于：所述凹槽7设置为一条螺旋形的连续槽，与其相匹配的凸起部11也设置为一条螺旋形的连续状凸起部。这样，能进一步防止扭杆的横向窜动且进一步减小了橡胶套产生的应力集中现象。在这里，所述凹槽也可以设置为一条螺旋形的断续槽，与其相匹配的凸起部也设置为一条螺旋形的断续状凸起部。
综上所述，本发明通过在橡胶套的内圆周面上设置凹槽来降低橡胶套的扭转刚度，使得发生侧滚振动时，橡胶套能一直与扭杆一起扭转，橡胶套与扭杆之间不会产生松离状态，从而避免了扭杆发生横向窜动；通过设置的凹槽的槽口与扭杆的外圆周面相配合形成了对扭杆的横向限位结构，能够进一步限制扭杆横向的窜动，本发明是在现有的结构上进行改进的，不需额外增加部件，其既能达到防止扭杆横向窜动的目的，又降低了制造成本，还便于安装；另外，设置凹槽打断了橡胶体的连续性，减小了胶体被压缩膨胀变形时的应力集中现象，提高了橡胶套的使用寿命。将橡胶套的两侧端与上半盖和下半盖的两侧端之间均设置为留有间距的状态，能防止橡胶套膨胀变形时两端鼓出到上半盖和下半盖的外部，避免了橡胶套的鼓出部位与其他配件相摩擦，进一步提高了橡胶套的使用寿命。本发明在支撑球铰装置中通过增设上半支撑座和下半支撑座，能稳定的将扭杆支撑连接在车体构架上，从而能更好的防止扭杆的横向窜动且这样使得扭杆安装起来更加方便快捷，提高了抗侧滚扭杆的安装效率。通过在扭杆的外圆周面上设置凸起部，利用扭杆外圆周面上的凸起部与橡胶体内圆周面上的凹槽相配合形成了对扭杆的横向限位结构，增加了扭杆的横向定位刚度，能够进一步限制扭杆横向的窜动。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对其的限制。有关领域的有关技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围。本发明的保护范围应该由各权利要求限定。